KR20180080632A - 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치 - Google Patents

플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20180080632A
KR20180080632A KR1020170001554A KR20170001554A KR20180080632A KR 20180080632 A KR20180080632 A KR 20180080632A KR 1020170001554 A KR1020170001554 A KR 1020170001554A KR 20170001554 A KR20170001554 A KR 20170001554A KR 20180080632 A KR20180080632 A KR 20180080632A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
impedance
voltage
variable
current
signal
Prior art date
Application number
KR1020170001554A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101930440B1 (ko
Inventor
박승진
권순구
Original Assignee
주식회사 메디플
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 메디플 filed Critical 주식회사 메디플
Priority to KR1020170001554A priority Critical patent/KR101930440B1/ko
Priority to PCT/KR2017/007908 priority patent/WO2018128236A1/ko
Publication of KR20180080632A publication Critical patent/KR20180080632A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101930440B1 publication Critical patent/KR101930440B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32174—Circuits specially adapted for controlling the RF discharge
    • H01J37/32183—Matching circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32917—Plasma diagnostics
    • H01J37/3299—Feedback systems
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/38—Impedance-matching networks
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08—Details of the phase-locked loop
    • H03L7/099—Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop
    • H05H2001/4682—

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

플라즈마를 생성하기 위한 에너지를 갖도록 증폭된 고주파 신호를 공급하는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치로서, 상기 고주파 신호의 주파수를 갖는 신호를 생성하는 주파수 발생기; 상기 주파수 발생기에서 생성된 신호의 전력을 증폭하여 상기 전력 공급 장치의 출력단으로 제공하는 전력 증폭기; 상기 전력 증폭기로에서 출력되는 고주파 신호의 전압, 전류 및 상기 전압과 전류 사이의 위상차를 검출하는 전압/전류 센서; 상기 전력 증폭기와 상기 출력단 사이에 연결되며, 복수의 가변 수동소자를 포함하는 가변 임피던스 소자부; 및 상기 전압/전류 센서에서 검출된 상기 전압, 상기 전류 및 상기 위상차에 기반하여 상기 출력단에 연결된 부하의 임피던스를 도출하고, 상기 부하의 임피던스에 기반하여 상기 가변 수동소자의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정기를 포함한다.

Description

플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치{APPARATUS OF SUPPLYING POWER FOR GENERATING PLASMA}
본 발명은 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하의 크기가 변동되는 경우에도 자동 임피던스 매칭을 통해 반사 전력을 제거하여 최대 전송 전력을 제공할 수 있는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치에 관한 것이다.
최근 플라즈마를 이용한 지혈 및 상처소독, 살균, 치아 미백, 암 치료 등 생의학 분야의 다양한 응용에 대한 관심이 증가하고 있다.
이와 같이 플라즈마를 다양한 생의학 분야에 응용하여 사용하기 위해서는, 반도체 공정 등에서 이용되는 플라즈마처럼 진공 챔버(Vacuum chamber)에서 구현될 수 있는 낮은 기압 조건(low pressure)에서 생성하기 보다는 대기압 하에서 동작하여 플라즈마를 생성할 수 있는 플라즈마 발생장치의 개발이 요청되었다.
한국등록특허 제10-1012345호에는 대기압 하에서 동작하여 플라즈마를 생성할 수 있는 저전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 생성기가 소개된 바 있다. 상기 선행문헌에는 동축 케이블로 제공되는 마이크로파의 공진 에너지를 이용하여 플라즈마를 생성하기 위한 장치가 개시된다. 즉, 상기 선행문헌에 개시된 플라즈마 생성장치는 동축 케이블을 구성하는 두 도체 사이의 공간에 가스를 주입하고 주입된 가스가 동축 케이블의 도체들에 제공되는 마이크로파의 공진에너지에 의해 플라즈마 상태가 되도록 구성된다.
이와 같은 종래의 플라즈마 생성 장치로 에너지를 갖는 마이크로파를 공급하기 위해서는 전력 공급 장치가 요구된다. 통상, 플라즈마 생성용 전력 공급 장치는 소정 전력을 갖는 마이크로파를 생성하여 출력하는데, 마이크로파가 출력되는 출력단은 50 Ω을 기준으로 원하는 전력을 출력할 수 있도록 설계되고 있다.
그러나, 전력 공급 장치가 실제 적용되는 경우에는 다양한 환경 조건에 따라 그 출력단에 연결되는 부하가 50 이 아닌 경우가 빈번하게 발생하게 되며, 이 경우 전송 전력(delivered power)은 부하의 크기에 따라 다양하게 변동됨으로써 원하는 전력을 공급하지 못하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1012345 B
이에 본 발명은, 하의 크기가 변동되는 경우에도 자동 임피던스 매칭을 통해 반사 전력을 제거하여 최대 전송 전력을 제공할 수 있는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
플라즈마를 생성하기 위한 에너지를 갖도록 증폭된 고주파 신호를 공급하는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치에 있어서,
상기 고주파 신호의 주파수를 갖는 신호를 생성하는 주파수 발생기;
상기 주파수 발생기에서 생성된 신호의 전력을 증폭하여 상기 전력 공급 장치의 출력단으로 제공하는 전력 증폭기;
상기 전력 증폭기로에서 출력되는 고주파 신호의 전압, 전류 및 상기 전압과 전류 사이의 위상차를 검출하는 전압/전류 센서;
상기 전력 증폭기와 상기 출력단 사이에 연결되며, 복수의 가변 수동소자를 포함하는 가변 임피던스 소자부; 및
상기 전압/전류 센서에서 검출된 상기 전압, 상기 전류 및 상기 위상차에 기반하여 상기 출력단에 연결된 부하의 임피던스를 도출하고, 상기 부하의 임피던스에 기반하여 상기 가변 수동소자의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정기;
를 포함하는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 주파수 발생기는, 발진신호를 출력하는 크리스탈 오실레이터 및 상기 발진 신호의 주파수를 상기 고주파 신호의 주파수로 변경하는 PLL(phase-locked loop)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 주파수 발생기는, 제어 전압에 의해 출력 주파수가 조정되어 상기 고주파 신호의 주파수를 출력하는 전압제어발진기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전압/전류 센서는 전압-전류 프로브로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 임피던스 조정기는,
[식]
Figure pat00001
(X: 상기 부하의 임피던스의 실수부, Y: 상기 부하의 임피던스의 허수부, V는 상기 전압/전류 센서에서 검출된 고주파 신호의 전압값, I: 상기 전압/전류 센서에서 검출된 고주파 신호의 전류값, θ: 상기 전압/전류 센서에서 검출된 위상차)에 의해 상기 부하의 임피던스를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 임피던스 조정기는, 상기 부하의 임피던스와 상기 복수의 가변 수동소자의 임피던스의 합성 임피던스가 사전 설정된 기준 임피던스가 되도록 상기 가변 수동소자의 임피던스를 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 가변 임피던스 소자부는, 커패시턴스 값을 변경할 수 있는 가변 커패시터 또는 인덕턴스 값을 변경할 수 있는 가변 인덕터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 가변 커패시터 또는 상기 가변 인덕터는 상기 전력 증폭기와 상기 출력단 사이에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치에 따르면, 플라즈마 생성 장치의 동작 상태 혹은 주변 환경에 따라 전력 공급 장치의 부하 임피던스가 기준 임피던스(50 )를 유지하지 못하고 변화되는 경우에도 그에 따라 임피던스 매칭을 수행함으로써 반사전력을 제거하여 전력 손실을 줄이고 플라즈마 생성기의 작동에 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치가 적용되는 플라즈마 생성 시스템을 간략하게 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치의 임피던스 조정기 및 가변 임피던스 소자의 일 예를 더욱 상세하게 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치의 임피던스 조정기 및 가변 임피던스 소자의 일 예에 의한 임피던스 매칭의 과정을 설명하기 위한 스미스차트이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치가 적용되는 플라즈마 생성 시스템을 간략하게 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치가 적용되는 플라즈마 생성 시스템은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전력 공급 장치(10)와, 가스를 공급하는 가스 공급 장치(20) 및 전력 공급 장치(10)에서 공급되는 고주파 신호의 공진 에너지로 가스 공급 장치(20)에서 공급되는 가스를 방전 시켜 플라즈마를 생성하는 공진기(30)를 포함하여 구성될 수 있다.
선행기술문헌인 한국등록특허 제10-1012345호에는 이러한 플라즈마 생성 시스템 중 공진기(30)의 구성이 상세하게 개시되는 바 공진기(30)에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이러한 플라즈마 생성 시스템에서, 전력 공급 장치(10)는 가스의 방전을 통해 플라즈마를 생성하는 공진기(30)로 소정 전력의 고주파 신호를 제공하기 위해 마련된 것으로 안정적인 플라즈마 생성을 위해 사전 설정된 일정한 전력을 갖는 고주파 신호를 공진기(30)로 제공하도록 구성되어야 한다. 하지만, 전력 공급 장치(10)의 신호 출력단은 사전에 일정 임피던스(예를 들어, 50 Ω)를 기준으로 전송 전력을 출력하도록 설계되므로, 출력단의 임피던스가 변경되는 경우 반사되어 출력단으로 다시 입력되는 반사 전력이 발생함에 따라 공진기(30)에서 요구되는 충분한 전력의 고주파 신호를 제공하는 것이 불가능 하게 된다.
예를 들어, 출력단의 임피던스가 변경되는 경우로는, 공진기(30)에서 생성되는 플라즈마 자체가 처리부에 직접 닿는 경우 전기적인 등가 임피던스가 변화되는 경우, 또는 공진기(30)에서 플라즈마의 점화 전과 후가 반사 특성의 차이가 매우 심한 경우, 또는 전력 공급 장치(10)와 공진기(30) 사이의 케이블 길이가 변경되는 경우 등이 있을 수 있다.
따라서, 전력 공급 장치(10)는 부하의 임피던스가 변경되는 경우에도 반사 전력을 억제함으로써 공진기(30)에서 요구되는 전력을 출력단으로 출력할 수 있도록 구성되어야 하는 것이다.
이와 같이, 반사 전력을 제거하여 사전 설정된(공진기(30)에서 요구되는) 전력의 고주파 신호를 출력할 수 있도록 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치는 도 2에 도시된 것과 같은 구성을 갖는다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치를 도시한 블록 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치의 임피던스 조정기 및 가변 임피던스 소자의 일 예를 더욱 상세하게 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치는, 주파수 발생기(11)와, 전력 증폭기(12)와, 전압/전류 센서(13)와, 임피던스 조정기(14) 및 가변 임피던스 소자부(15)를 포함하여 구성될 수 있다.
주파수 발생기(11)는 원하는 주파수의 신호를 생성하여 출력하는 요소이다. 주파수 발생기(11)에서 생성되는 신호의 주파수는 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있는데, 저온 플라즈마 생성을 위한 시스템에 적용될 수 있는 대략 수백 kHz 내지 수 GHz의 밀리미터파 대역의 신호가 생성될 수 있다.
주파수 발생기(11)는 당 기술분야에 알려진 다양한 주파수 발생 장치가 적용될 수 있다. 예를 들어, 주파수 발생기(11)는 발진회로가 내장되어 PLL의 입력이 되는 발진신호를 출력하는 크리스탈 오실레이터와, 발진회로에서 생성된 주파수 신호를 입력 받아 마이크로파 플라즈마 발생 시스템에서 요구되는 주파수를 갖는 신호로 주파수 변경하는 PLL(phase-locked loop)로 구현될 수 있다. 다른 예로, 입력되는 제어 전압의 크기에 따라 출력 신호의 주파수를 조정하는 전압제어발진기(VCO: Voltage Controlled Oscillator)로 구현될 수 있다.
여기서, 크리스탈 오실레이터와 PLL은 하나의 칩의 형태로 제작될 수 있으며 전압제어발진기 역시 하나의 칩 형태로 제작될 수 있다.
전력 증폭기(12)는 주파수 발생기(11)에서 생성된 소정 주파수의 신호를 입력 받아 그 전력(power)를 증폭시키는 요소이다.
본 발명의 여러 실시형태에서, 전력 증폭기(12)는 별도의 제어 신호를 입력 받고 제어 신호에 따라 이득(증폭율)이 조정될 수 있는 가변 이득 전력 증폭기가 채용될 수 있다.
전압/전류 센서(13)는 전력 증폭기(12)로부터 부하 측으로 전달되는 고주파 신호의 전압, 전류 및 전압과 전류 간의 위상차를 검출한다. 예를 들어, 전압/전류 센서(13)는 당 기술분야에 알려진 고주파 신호의 전압, 전류 및 전압-전류간 위상차를 검출할 수 있는 장비인 전압-전류 프로브(voltage-current probe: VI probe)로 구현될 수 있다.
임피던스 조정기(14)는 전압/전류 센서(13)에서 검출된 전압, 전류 및 위상차를 기반으로 전력 공급 장치의 출력단에 연결되는 부하의 임피던스 값을 연산하고, 연산된 부하의 임피던스 값에 기반하여 전력 증폭기(12)의 출력단에서 부하측으로 바라본 임피던스 값이 사전 설정된 기준 임피던스 값이 될 수 있도록 가변 임피던스 소자부(15)의 임피던스 값을 결정할 수 있다.
가변 임피던스 소자부(15)은 임피던스 값이 적절하게 변경될 수 있는 복수의 수동 소자들을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 예는 직병렬 관계로 연결된 두 개의 가변 커패시터로 가변 임피던스 소자부(15)를 구현한 것이나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 가변 임피던스 소자부(15)는 커패시턴스가 변경될 수 있는 가변 커패시터 및/또는 인덕턴스가 변경될 수 있는 가변 인덕터를 포함할 수 있다. 또한, 가변 임피던스 소자부(15)에 포함되는 수동 소자들은 전력 증폭기(12)와 출력단 사이에 직렬 또는/및 병렬로 연결될 수 있다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치의 작용 및 효과에 대해 설명한다.
주파수 발생기(11)에서 소정 주파수의 고주파 신호를 출력하고, 주파수 발생기(11)에서 출력된 고주파 신호는 전력 증폭기(12)로 입력되어 사전 설정된 이득으로 전력이 증폭되어 출력된다. 전력 증폭기(12)에서 이루어지는 전력 증폭의 이득은 고주파 신호를 입력 받아 플라즈마를 생성하는 공진기(도 1의 '30')에서 요구하는 공진 에너지에 따라 설정될 수 있다.
전력 증폭기(12)에서 출력되는 전력 증폭된 고주파 신호는 출력단을 통해 부하로 제공되는데, 이 과정에서 전압/전류 센서(13)는 전력 증폭기(12)에서 부하로 제공되는 고주파 신호의 전압, 전류 및 전압-전류 위상차를 검출하여 임피던스 조정기(14)로 제공한다.
임피던스 조정기(14)는 먼저, 전압/전류 센서(13)는 전력 증폭기(12)에서 부하로 제공되는 고주파 신호의 전압, 전류 및 전압-전류 위상차를 검출한 값을 이용하여 현재 부하의 임피던스를 연산한다.
임피던스 조정기(14)에 의해 이루어지는 임피던스 연산은 다음의 식 1을 통해 이루어질 수 있다.
[식 1]
Figure pat00002
상기 식 1에서 ZL은 부하의 임피던스를 나타내며, X는 부하의 임피던스의 실수부를 나타내고, Y는 부하의 임피던스의 허수부를 나타내며, V는 전압/전류 센서(13)에서 검출된 고주파 신호의 전압값, I는 전압/전류 센서(13)에서 검출된 고주파 신호의 전류값, θ는 고주파 신호의 전압과 전류 사이의 위상차를 나타낸다.
임피던스 조정기(14)는 상기 식 1에 의해 도출된 부하의 임피던스를 이용하여 가변 임피던스 소자부(15)에 마련된 가변 수동 소자들의 임피던스 값을 결정한다.
도 3에 도시된 것과 같이, 전력 증폭기(12)와 출력단 사이에 병렬로 연결된 제1 커패시터(C1)와 전력 증폭기(12)와 출력단 사이에 직렬로 연결된 제2 커패시터(C2)로 가변 임피던스 소자부(15)가 구현된 경우를 예로 설명하면 다음과 같다. 여기서, 참조부호 'C1', 'C2'는 가변 임피던스 소자부(15)에 포함된 커패시터를 의미하기도 하며, 각 커패시터의 커패시턴스를 의미하는 것으로 설명될 것이다.
임피던스 조정기(14)는 전력 증폭기(12)에서 전력 공급 장치의 출력단으로 바라본 임피던스가 사전 설정된 기준 임피던스(예를 들어, 50 Ω)이 되도록 각각의 가변 커패시터(C1, C2)의 커패시턴스를 결정한다. 즉, 임피던스 조정기(14)는, 가변 임피던스 소자부(15)에 의한 임피던스와 부하의 임피던스(X + jY)의 합성 임피던스가 기준 임피던스가 되도록 가변 커패시터의 커패시터를 결정하면 된다.
각각의 커패시터의 임피던스(Zc1, Zc2)는 고주파 신호의 주파수가 'f'라고 할 때 다음의 식 2와 같이 결정될 수 있다.
[식 2]
Zc1 = 1 / (j * 2π * f * C1)
Zc2 = 1 / (j * 2π * f * C2)
또한, 두 커패시터와 부하의 임피던스의 합성 임피던스는 제1 커패시터(C1)과 상호 직렬 연결된 제2 커패시터(C2) 및 부하 임피던스(ZL)가 병렬로 연결된 것과 같으며, 합성 임피던스가 기준 임피던스(50 Ω)가 되도록 다음의 식 3과 같이 결정되어야 한다.
[식 3]
Figure pat00003
식 3에 식 1과 식 2를 대입하고, C1과 C2에 대해 정리하면 가변 임피던스 소자부(15)의 가변 커패시터(C1, C2)의 커패시턴스가 결정될 수 있다. 이 과정은 다음의 식 4와 같다.
[식 4]
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
식 4에서, Xc1은 '2π * f * C1'이며, Xc2는 '2π * f * C2'이다.
상기 식 4에 나타난 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치는 가변 임피던스 소자부(15)에 포함된 가변 임피던스 소자의 임피던스 값을, 전압/전류 센서(13)에서 검출된 증폭된 고주파 신호의 전압, 전류 및 위상차로 결정되는 X와 Y를 이용하여 표현할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치는 실시간으로 검출되는 증폭된 고주파 신호의 전압, 전류 및 위상차를 이용하여 가변 임피던스 소자부(15)의 가변 임피던스 소자의 임피던스 값을 즉각 연산하여 적용할 수 있으므로 가변하는 부하의 임피던스에 대응하여 신속하게 임피던스 매칭을 수행함으로써 전력 전달의 손실을 최소화할 수 있게 된다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치의 임피던스 조정기 및 가변 임피던스 소자의 일 예에 의한 임피던스 매칭의 과정을 설명하기 위한 스미스차트이다.
임퍼던스 조정기(14)가, 가변 임피던스 소자부(15)의 제2 커패시터(C2)의 커패시턴스를 결정함에 따라 전력 증폭기(12)에서 출력단으로 바라본 임피던스는 부하 임피던스(X + jY)에서 도 4에서 'C2'로 표시된 화살표를 따라 이동하게 되고, 가변 임피던스 소자부(15)의 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스를 결정함에 따라 전력 증폭기(12)에서 출력단으로 바라본 임피던스는 다시 도 4에서 'C1'로 표시된 화살표를 따라 이동하게 되어 스미스차트의 중심점으로 이동하게 되어 원하는 기준 임피던스(50 Ω)가 될 수 있다.
이와 같이, 임피던스 조정기(14)는, 증폭된 고주파 신호의 전압, 전류 및 전압-전류 위상차를 검출한 값에 기반하여 전압/전류 센서(13)가 부하의 임피던스를 도출하고, 부하의 임피던스와 가변 임피던스 소자의 합성 임피던스를 원하는 기준 임피던스(50 Ω)가 되도록 가변 임피던스 소자부(15)의 임피던스를 조정함으로써 임피던스 매칭을 수행하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치는, 플라즈마 생성 장치의 동작 상태 혹은 주변 환경에 따라 전력 공급 장치의 부하 임피던스가 기준 임피던스(50 )를 유지하지 못하고 변화되는 경우에도 그에 따라 임피던스 매칭을 수행함으로써 반사전력을 제거하여 전력 손실을 줄이고 플라즈마 생성기의 작동에 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
11: 주파수 발생기 12: 전력 증폭기
13: 전압/전류 센서 14: 임피던스 조정기
15: 가변 임피던스 소자부

Claims (8)

  1. 플라즈마를 생성하기 위한 에너지를 갖도록 증폭된 고주파 신호를 공급하는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치에 있어서,
    상기 고주파 신호의 주파수를 갖는 신호를 생성하는 주파수 발생기;
    상기 주파수 발생기에서 생성된 신호의 전력을 증폭하여 상기 전력 공급 장치의 출력단으로 제공하는 전력 증폭기;
    상기 전력 증폭기로에서 출력되는 고주파 신호의 전압, 전류 및 상기 전압과 전류 사이의 위상차를 검출하는 전압/전류 센서;
    상기 전력 증폭기와 상기 출력단 사이에 연결되며, 복수의 가변 수동소자를 포함하는 가변 임피던스 소자부; 및
    상기 전압/전류 센서에서 검출된 상기 전압, 상기 전류 및 상기 위상차에 기반하여 상기 출력단에 연결된 부하의 임피던스를 도출하고, 상기 부하의 임피던스에 기반하여 상기 가변 수동소자의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정기;
    를 포함하는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주파수 발생기는, 발진신호를 출력하는 크리스탈 오실레이터 및 상기 발진 신호의 주파수를 상기 고주파 신호의 주파수로 변경하는 PLL(phase-locked loop)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 주파수 발생기는, 제어 전압에 의해 출력 주파수가 조정되어 상기 고주파 신호의 주파수를 출력하는 전압제어발진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전압/전류 센서는 전압-전류 프로브인 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 임피던스 조정기는,
    [식]
    Figure pat00012

    (X: 상기 부하의 임피던스의 실수부, Y: 상기 부하의 임피던스의 허수부, V는 상기 전압/전류 센서에서 검출된 고주파 신호의 전압값, I: 상기 전압/전류 센서에서 검출된 고주파 신호의 전류값, θ: 상기 전압/전류 센서에서 검출된 위상차)에 의해 상기 부하의 임피던스를 결정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 임피던스 조정기는, 상기 부하의 임피던스와 상기 복수의 가변 수동소자의 임피던스의 합성 임피던스가 사전 설정된 기준 임피던스가 되도록 상기 가변 수동소자의 임피던스를 조정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 가변 임피던스 소자부는, 커패시턴스 값을 변경할 수 있는 가변 커패시터 또는 인덕턴스 값을 변경할 수 있는 가변 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 가변 커패시터 또는 상기 가변 인덕터는 상기 전력 증폭기와 상기 출력단 사이에 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치.
KR1020170001554A 2017-01-04 2017-01-04 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치 KR101930440B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170001554A KR101930440B1 (ko) 2017-01-04 2017-01-04 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치
PCT/KR2017/007908 WO2018128236A1 (ko) 2017-01-04 2017-07-21 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170001554A KR101930440B1 (ko) 2017-01-04 2017-01-04 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180080632A true KR20180080632A (ko) 2018-07-12
KR101930440B1 KR101930440B1 (ko) 2018-12-18

Family

ID=62790960

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170001554A KR101930440B1 (ko) 2017-01-04 2017-01-04 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101930440B1 (ko)
WO (1) WO2018128236A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200126177A (ko) 2019-04-29 2020-11-06 삼성전자주식회사 Rf 파워 모니터링 장치, 및 그 장치를 포함하는 pe 시스템

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990028462A (ko) * 1995-06-30 1999-04-15 로브그렌 리차드 에이치. 전력을 분할하는 전극
KR20020047229A (ko) * 1999-10-15 2002-06-21 가부시키가이샤 도쿄하이파워 정합기 및 플라즈마처리장치
KR100907438B1 (ko) * 2007-01-15 2009-07-14 (주)제이하라 플라즈마 발생장치
KR20160012085A (ko) * 2014-07-23 2016-02-02 램 리써치 코포레이션 복수의 채널들에 대한 단일 조정을 사용하는 고전력 필터
KR20160044428A (ko) * 2015-10-23 2016-04-25 주식회사 영신알에프 매칭부 및 분석센서를 가지는 일체형 고주파 상압 플라즈마 발생장치

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6707255B2 (en) * 2002-07-10 2004-03-16 Eni Technology, Inc. Multirate processing for metrology of plasma RF source

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990028462A (ko) * 1995-06-30 1999-04-15 로브그렌 리차드 에이치. 전력을 분할하는 전극
KR20020047229A (ko) * 1999-10-15 2002-06-21 가부시키가이샤 도쿄하이파워 정합기 및 플라즈마처리장치
KR100907438B1 (ko) * 2007-01-15 2009-07-14 (주)제이하라 플라즈마 발생장치
KR20160012085A (ko) * 2014-07-23 2016-02-02 램 리써치 코포레이션 복수의 채널들에 대한 단일 조정을 사용하는 고전력 필터
KR20160044428A (ko) * 2015-10-23 2016-04-25 주식회사 영신알에프 매칭부 및 분석센서를 가지는 일체형 고주파 상압 플라즈마 발생장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR101930440B1 (ko) 2018-12-18
WO2018128236A1 (ko) 2018-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4739793B2 (ja) 高周波電源装置
US8212428B2 (en) Portable power supply apparatus for generating microwave-excited microplasmas
EP1952537B1 (en) Inductively-coupled rf power source
US7615983B2 (en) High frequency power device for protecting an amplifying element therein
EP0412568B1 (en) Matching network and method for using same
JP2006286254A5 (ko)
WO2005066991A1 (en) Stabilizing plasma and generator interactions
US8842704B2 (en) Multiple phase-locked loops for high-power RF-power combiners
KR102161154B1 (ko) 전력 안정화 장치를 갖는 플라즈마 전원 공급 시스템
JP2007103102A5 (ko)
JP2000049000A (ja) 周波数整合器
KR101645118B1 (ko) 플라즈마 처리 장치, 이상 판정 방법 및 마이크로파 발생기
US10896810B2 (en) RF generating apparatus and plasma treatment apparatus
KR102194601B1 (ko) 전자식 가변 임피던스 매칭박스를 구비한 플라즈마 전원 공급 시스템
KR101930440B1 (ko) 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치
KR20030043670A (ko) 플라스마 처리장치
KR101927439B1 (ko) 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치
JP2009177801A (ja) 信号変調回路
KR20230100650A (ko) 고주파 전원 장치
KR20210113073A (ko) 플라즈마 처리 장치
WO2009116698A1 (en) Frequency stabilized dielectric heating apparatus using semiconductor and amplification circuit structure thereof
JP6864995B2 (ja) マイクロ波プラズマ生成装置及びマイクロ波プラズマ生成方法
Xu et al. Frequency-selective mhz power amplifier for dielectric barrier discharge plasma generation
US11885315B2 (en) Radio-frequency plasma generating system and method for adjusting the same
KR101290702B1 (ko) 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 주파수 자동 추적 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant